一种无人机混合动力单元的减振装置的制作方法

本发明涉及无人机设备技术领域，特别涉及一种无人机混合动力单元的减振装置。

背景技术：

小型多旋翼无人机是指空机质量≤15kg，且≥4kg，最大起飞质量≤25kg，且≥7kg的无人机，由电力驱动，具有垂直起降，空中悬停，动力耦合度低，响应速度快等优点。可用于航空护林和火场侦查等领域。目前在售的小型多旋翼无人机的续航基本在二十几分钟，对于无人机丰富的功能来说这是远远不够的。例如，东北林区交通不便，巡护作业半径为100-300km，目前的小型多旋翼无人机的续航能力根本无法满足作业要求。影响续航的主要因素有飞行重量和电池参数，增加电池容量能增大电能供给，但也会明显增大飞行重量，所以通过大量携带电池来提高续航的方式并不可行。发动机动力源的能量密度远高于电池，且稳定可靠，因此，在无人机上加装混合动力单元为一种可行方案，其核心部件为小排量单缸二冲程发动机和发电机，电能可以存储在电池中，也可以直接为电动机供电。混合动力单元令无人机在原有系统的基础上动力更强劲，载重更大，续航时间更长。德国airstier公司和中国的瑞深航空公司已经先后做了相关研究。

混合动力小型多旋翼无人机的工作有如下几个特点：1.与多缸发动机相比，单缸发动机重量轻，功率和扭矩大，油耗小，但其往复惯性大，工作方式粗暴，导致混合动力单元的振动较大，而无人机的稳定依赖于各种精密传感器，其中对姿态控制极为重要的惯性测量单元对振动很敏感，因此，在混合动力单元的连接部分设计减振装置是非常重要的。2.单缸发动机运行过程中的振源包括：气压力和往复惯性力引起的倾覆力矩，往复惯性力和旋转惯性力。3.无人机的装载空间有限且续航受飞行重量的影响，减振装置的体积和重量要尽量小。综上所述，减振装置的设计需要满足有效减小振动并且体积和重量尽可能小的要求。

减振方式可分为主动减振和被动减振，被动减振是通过安装隔振材料或填充隔振介质等手段来对振动进行阻隔，其稳定性好，布置方便，空间利用率高，成本低廉但对低频振动抑制能力较差。主动减振在减振系统中安装专用的能源装置，通过控制算法实时计算出衰减振动所需的主动力的大小和方向，主动减振具有稳定性高、适应性强、响应速度快、减振效果明显等优点。目前对于专门用于小型多旋翼无人机混合动力单元的减振装置的相关设计很少，现有的设计中存在以下不足：

1.没有针对“无人机对振动极其敏感”这一特点进行设计，减振方式单一，减振效果有待考证。

2.发动机振幅大，振动速度快，电机作为主动减振的执行元件直接与振源固连，因此电机的响应速度需要很快，这不仅对电机有更高的要求，增加了成本，也加大了控制系统的复杂性。

3.结构设计不紧凑，空间利用率不高，减振装置质量大，增加了无人机的自重，减弱了无人机的负重能力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构设计紧凑，减振效果显著的无人机混合动力单元的减振装置。

为了实现上述发明目的，本发明无人机混合动力单元的减振装置采用的如下技术方案：

一种无人机混合动力单元的减振装置，包括设置在无人机机身下方的载重平台，无人机的混合动力单元设置在载重平台上，所述混合动力单元与载重平台之间设有第一减振机构，载重平台与机身之间设有第二减振机构；所述第二减振机构包括被动减振组件和磁力减振组件；所述第一减振机构包括竖直设置在载重平台上的音圈电机，音圈电机的电机轴通过联轴器连接第一轴承座，第一轴承座内设置第一调心轴承，所述混合动力单元底部设有第二轴承座，第二轴承座内设置第二调心轴承，所述第一调心轴承和第二调心轴承之间安装有横向布置的支杆；所述支杆下端设有对其进行支撑的支撑部，支撑部靠近第一调心轴承设置，所述支撑部包括与支杆过盈配合的第三轴承座，所述第三轴承座内设有圆柱滚子轴承，所述载重平台设有安装在圆柱滚子轴承内的支架。

优选的，所述载重平台上竖直设置连杆，被动减振组件设置在连杆上端，所述磁力减振组件包括设置在被动减振组件上端的永磁体，永磁体的正上方设有安装在机身底部的电工纯铁，电工纯铁正对被动减振组件布置并与永磁体之间留有间距，所述电工纯铁的外周缠绕漆包铜线。通电时，电工纯铁产生磁力，与永磁体相互吸引或者排斥，以此来抵消或减弱混合动力单元工作时传给机身的振动，而且吸力和斥力的大小与二者的间距有关。

优选的，所述被动减振组件包括弹簧组，弹簧组的下端设有安装在连杆上端的下橡胶块，弹簧组的上端设有嵌装永磁铁的上橡胶块，所述连杆、下橡胶块、弹簧组和上橡胶块处于同一轴线上。

优选的，所述弹簧组包括外弹簧和内弹簧，所述内弹簧套装在外弹簧内，外弹簧与内弹簧均为螺旋弹簧，所述外弹簧和内弹簧的螺旋旋向相反。

优选的，所述支架设置为l型，支架一端安装在载重平台上，另一端安装在圆柱滚子轴承上。

优选的，所述第一减振机构沿混合动力单元的四个角位置并设置四个，所述第二减振机构沿载重平台的四个角位置并设置四个。

优选的，所述第二减振机构还包括保护壳，所述被动减振组件和磁力减振组件均设置在保护壳内，所述保护壳内壁设有橡胶垫。

优选的，所述混合动力单元的壳体表面设置第一加速度传感器，所述机身表面设置第二加速度传感器，所述第二减振机构上设置光栅尺位移传感器。本发明通过加速度传感器一将混合动力单元的振动加速度传递给stm32f103控制器，控制器根据此信号计算出控制量，通过驱动电路控制音圈电机动作，音圈电机提供的力和位移经过第一轴承座一，第一调心轴承，支杆，第二调心轴承和第二轴承座传递给混合动力单元；同时，光栅尺位移传感器将音圈电机电机轴的位置信号传递给控制器，第二加速传感器将无人机机身的振动加速度传递给控制器，作为音圈电机施加轴向力的参考信号；本发明通过两个加速度传感器和位移传感器的设置，控制方式稳定性好，控制精度高，能准确控制磁力的大小，音圈电机的轴向力大小和电机轴的位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明针对“无人机对振动极其敏感”这一特点进行设计，采用主动减振为主要减振，被动减振为辅助减振的减振方式，既可以弥补被动减振对低频振动抑制能力的不足，又在一定程度上减轻了主动减振部分的工作负担，而且提高了减振装置的稳定性和减振效果；

2、本发明在第一减振机构中采用放大机构，通过在第一调心轴承和第二调心轴承之间设置支杆，支杆起到杠杆的作用，支杆设置第三轴承座的位置作为杠杆的支点，第三轴承座靠近第一调心轴承设置，此时，通过支杆能够放大放大音圈电机电机轴的位移和速度，使音圈电机所需的振幅减小并放大音圈电机的振动速度，降低了对音圈电机的要求，减少了成本，也减小了控制系统的复杂性；

3本发明通过在混合动力单元和载重平台之间设置第一减振机构，减少混合动力单元对载重平台的振动，同时在载重平台和无人机机身之间设置第二减振机构，进一步减少载重平台对无人机机身的振动，不仅提高减振效果，并且，第一减振机构和第二减振机构的结构设计紧凑，空间利用率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为第一减振机构的结构示意图；

图3为第二减振机构的结构示意图；

图4为保护壳的结构示意图；

图5为弹簧组的结构示意图。

其中，1机身，2混合动力单元，3第二减振机构，4第一减振机构，5音圈电机，6载重平台，7支杆，8第一轴承座，9第一调心轴承，10第二轴承座，11第二调心轴承，12第三轴承座，13圆柱滚子轴承，14支架，15连杆，16下橡胶块，17弹簧组，18上橡胶块，19永磁体，20漆包铜线，21电工纯铁，22保护壳，23橡胶垫，24内弹簧，25外弹簧。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-5所示，一种无人机混合动力单元的减振装置，包括设置在无人机机身1下方的载重平台6，无人机的混合动力单元2设置在载重平台6上，所述混合动力单元2与载重平台6之间设有第一减振机构4，载重平台6与机身1之间设有第二减振机构3；所述第一减振机构4沿混合动力单元2的四个角位置并设置四个，所述第二减振机构3沿载重平台6的四个角位置并设置四个；所述第二减振机构3包括被动减振组件和磁力减振组件，所述第二减振机构3还包括保护壳22，所述被动减振组件和磁力减振组件均设置在保护壳22内，所述保护壳22内壁设有橡胶垫23；所述载重平台6上竖直设置连杆15，被动减振组件设置在连杆15上端，所述磁力减振组件包括设置在被动减振组件上端的永磁体19，永磁体19的正上方设有安装在机身1底部的电工纯铁21，电工纯铁21正对被动减振组件布置并与永磁体19之间留有间距，所述电工纯铁21的外周缠绕漆包铜线20；所述被动减振组件包括弹簧组17，弹簧组17的下端设有安装在连杆15上端的下橡胶块16，弹簧组17的上端设有嵌装永磁铁的上橡胶块18，所述连杆15、下橡胶块16、弹簧组17和上橡胶块18处于同一轴线上，下橡胶块16与弹簧组17之间通过紧固件连接，上橡胶块18与弹簧组17之间通过紧固件连接；所述弹簧组17包括外弹簧25和内弹簧24，所述内弹簧24套装在外弹簧25内，外弹簧25与内弹簧24均为螺旋弹簧，所述外弹簧25和内弹簧24的螺旋旋向相反；所述第一减振机构4包括竖直设置在载重平台6上的音圈电机5，音圈电机5的电机轴通过联轴器连接第一轴承座8，第一轴承座8内设置第一调心轴承9，所述混合动力单元2底部设有第二轴承座10，第二轴承座10内设置第二调心轴承11，所述第一调心轴承9和第二调心轴承11之间安装有横向布置的支杆7；所述支杆7下端设有对其进行支撑的支撑部，支撑部靠近第一调心轴承9设置，所述支撑部包括与支杆7过盈配合的第三轴承座12，所述第三轴承座12内设有圆柱滚子轴承13，所述载重平台6设有安装在圆柱滚子轴承13内的支架14，所述支架14设置为l型，支架14一端安装在载重平台6上，另一端安装在圆柱滚子轴承13上；所述混合动力单元2的壳体表面设置第一加速度传感器，所述机身1表面设置第二加速度传感器，所述第二减振机构3上设置光栅尺位移传感器，光栅尺传感器的光栅主尺竖直安装在载重平台6上，读数头安装在联轴器上；所述保护壳22，连杆15，第一轴承座8，第二轴承座10和支杆7均采用高强度低密度的碳纤维，重量轻，在实现减振的同时保障了无人机负载能力。

本发明的具体工作过程与原理：第一减振机构4减振：通过设置第一加速

度传感器，将混合动力单元2的振动加速度以电压信号的形式经过放大电路，滤波电路，接口电路和数模转换电路传递给stm32f103控制器，控制器根据此信号计算出控制量，通过驱动电路控制音圈电机5动作，音圈电机5提供的力和位移经过第一轴承座8，第一调心轴承9，支杆7，第二调心轴承11和第二轴承座10传递给混合动力单元2，在传递过程中音圈电机5提供的速度和位移被放大；例如，当混合动力单元2的振动向下时，音圈电机5的电机轴上移，提供一个向上的力与振动的冲击力抵消；当混合动力单元2的振动向上，音圈电机5的电机轴下移，提供一个向下的力与振动的冲击力抵消；当混合动力单元2产生倾覆力矩时，有两个音圈电机5的电机轴上移，提供向上的力，另外两个音圈电机5的电机轴下移，提供向下的力，两组向上的力和向下的力组成与计算出的倾覆力矩方向相反，大小相同的力矩；同时，光栅尺位移传感器将音圈电机5的电机轴的位置信号传递给控制器，第二加速传感器将无人机机身1的振动加速度以电压信号传递给控制器，作为音圈电机5施加轴向力的参考信号。

第二减振机构3减振：经过第一减振机构4减振后，部分振动经过载重平台6传到第二减振机构3，当振动向上时，振动经连杆15传给弹簧组17，弹簧组17压缩，然后上橡胶块18压缩，第二加速度传感器将无人机机身1的振动加速度以电压信号传递给控制器，控制器先经过驱动电路，然后经过换向电路给漆包铜线20通电，令电工纯铁21与永磁体19之间产生排斥力，从而与向上的振动抵消；当振动向下时，下橡胶块16压缩，控制器改变漆包铜线20的电流方向，电工纯铁21与永磁体19之间产生吸引力，上橡胶块18和弹簧组17伸长，从而将向下的振动吸收；非轴向方向的振动主要靠保护壳22内壁上的橡胶垫23和壳体底部嵌入的橡胶套吸收。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。